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The Development of Equalizing Spacer for Minimization of Voltage Drop according to DC Feeder Extension
The Development of Equalizing Spacer for Minimization of Voltage Drop according to DC Feeder Extension
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2014. Jul, 63(7): 1013-1018
Copyright © 2014, The Korean Institute of Electrical Engineers
  • Received : May 13, 2014
  • Accepted : June 27, 2014
  • Published : July 01, 2014
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재봉 이
Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Korea
일권 서
Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Korea
연일 나
Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Korea
재문 김
Corresponding Author : Dept. of Transportation System Engineering, Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Korea E-mail :goldmoon@ut.ac.kr

Abstract
This paper described the development of equalizing spacer for minimization of voltage drop according to DC feeder extension. Power consumption is increased as shorter interval of train driving time and transportation capacity increase in urban subway. Therefore we investigated voltage drop of catenary at a point in case of traction driving of a train in parallel to the DC power supply system. Based on it's result, equalizing spacer is designed and fabrication to minimize the voltage drop in accordance with the power supply line arranged in three rows, and then its performance was confirmed that the stress distribution of main body and the distributed load are satisfied through the body structure modeling.
Keywords
1. 서 론
교통수요 변화에 대비하여 차세대 철도차량 등 보다 고급화된 교통수단에 대한 요구가 증대하고 있다. 뿐만 아니라 철도차량을 운행하는데 있어 필수적인 전차선, 궤도, 신호등 인터페이스 시스템들에 대해 신기술을 접목한 응용기술이 지속적으로 연구 개발되고 있다 [1] [2] .
최근 수도권 교통수단별 수송 분담율 증가로 2호선 지상부 전차선로의 직류 병렬 급전 계통에 운전시격 단축과 전동차 견인에 따른 전력이 증대되고 있다. 이와 같이 전력증가는 기존 설치되어 운영되고 있는 급전선 방식으로 해결하기 어려워 급전선 증설을 통해 전압강하를 최소화할 수있는 균압 스페이서를 고려할 필요가 있다. 즉 전차선로 급전용량 증대를 위하여 급전선을 3열로 배열하여 가설할 경우, 풍압과 자중에 따른 급전선 상호간의 진동을 방지하는 일괄 접속 금구인 균압 스페이서를 10[m]이하 간격으로 균등하게 설치해야 한다 [3] .
한편 급전선과 균압 스페이서의 장악특성을 유지시켜 선간전압 불균형과 진동 및 차량 주행에 따른 대전류에 의한 열화 손상을 방지하기 위해 급전선에는 자중 및 풍압 등 진동을 흡수하는 3선용 균압 스페이서를 도입할 필요가 있다.
본 논문에서는 직류 병렬 급전계통에서 전차선로 전압강하에 대해 고찰하였다. 그리고 전압강하 발생에 따른 최소화를 위해 급전선을 3열로 배열하여 가설하는 경우 필요로 하는 균압 스페이서에 대해 설계 및 제작하고 현장설치를 통해 타당성을 확인하였다.
2. 본 론
- 2.1 전차선로 전압강하 고찰
일반적으로 병렬로 급전되는 변전소는 양 변전소의 무부하 전압, 정류기 용량, 전압 변동율이 거의 같도록 설계되기때문에 내부저항이 같은 것으로 가정하여 급전선로의 전압강하와 변전소 기기의 전압강하 등을 검토하였다. 그림 1 과 같은 전차선로에서 전기차량이 주행할 때 전압강하를 계산하기 위한 조건은 변전소 무부하 직류 급전전압 V 는 1600[V], 정류기 용량 Wrec 은 4,000 [kW], 전압 변동율 є 는 8[%], 전차선로 합성저항 r 은 0.035 [ Ω / km ]이다 [3] [4] .
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병렬급전 방식의 부하전류 일례 Fig. 1 In case of the load current at each point in parallel feeding method
- 2.1.1 양쪽 변전소 내부저항과 무부하 급전 전압이 같을 경우
그림 1 에서 A, B 변전소 분담전류를 계산하기 위해 전압변동율 є 을 8[%]로 놓으면, 변전소 정격 출력전압 E 와 정류기 정격전류 In 는 식 (1)과 식 (2)을 통해 구해진다.
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한편 변전소 내부전압강하 e 와 변전소 내부저항 R 0 , 계통 전체저항 RSR 은 식 (3) ~ 식 (5)으로 표현된다.
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그림 1 과 같이 A 전철변전소와 B 전철변전소 사이에서 전기차가 주행하고 있다고 가정하고 각 지점의 부하전류가 360 [A], 1,000 [A], 500 [A]가 흐른다고 할 때, 각 전철변전소에서 급전선으로 흐르는 분담전류를 각각 IA , IB 라고 하면, 전 부하전류 I 는 1,860 [A]가 된다. 따라서 각 변전소에서 급전선에 공급되는 전류 관계를 적용하면 식 (6), 식 (7)과 같이 된다.
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여기서, ij j 지점에 흐르는 전류, lj 는 변전소에서 L 지점 까지의 거리, L 은 변전소간 거리
표 1 은 상기에서 기술한 식을 토대로 계산하였을 때, 각 파라미터에 대한 데이터를 보여준다. A 전철변전소 전류보다 B 전철변전소 전류가 급전선에 많이 유입되고 있음을 알수 있다.
표 1 파라미터에 대한 데이터Table 1 Data on parameter
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표 1 파라미터에 대한 데이터 Table 1 Data on parameter
- 2.1.2 부하분담이 많은 B 전철변전소 기준
직류철도의 급전거리에 따른 전압강하는 급전거리, 무부하 전압, 전압 변동율, 변전소 내부저항 및 전차선로 저항과 부하의 크기 및 종류(시간대별, 계절별 등에 대한 부하 크기)에 따른 변동이 예상되지만, 상기 절에서 구한 전철변전소의 분담전류가 큰 B 전철변전소를 기준으로 각 지점의 전압강하를 고찰하고자 한다. 먼저 B 전철변전소의 내부 전압강하를 구하면 변전소 내부저항과 분담전류의 곱으로부터 48 [V]가 된다.
한편 분담전류에 의한 B 전철변전소에서 전기차량이 위치하고 있는 임의의 전차선로 거리( K )에서의 전압강하 eBK 는 식 (8)과 같고 식 (9)를 통해 K 지점에 흐르는 전류 ik 를 구한다.
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여기서, ik k 지점에 흐르는 전류, lk 는 변전소에서 k 지점까지의 거리, Ek k 지점의 전압강하, VB B 변전소의 무부하 직류 급전전압, eB B 변전소 내부 전압강하
식 (9)에 의해 B 전철변전소를 기준으로 500 [A]가 흐르는 지점을 지난 지점, 즉 1,000 [A]가 흐르는 지점을 K 지점이라고 가정하면 B 전철변전소를 통해 이 지점에 급전하는 전류는 503 [A]가 된다. 이로부터 식 (8)에 의해 K 지점의 전압강하는 37 [V]가 된다. 따라서 1,000 [A] 지점의 전압은 1,515 [V]가 된다. 이와 같이 전기차량이 전차선로를 따라 주행하게 되면 전류량에 따라 전압강하가 수시로 발생하게 되는데, 전압강하가 순시적으로 크게 발생하게 되면 가선 금구류가 손상되거나 전기차량 주행에 악영향을 초래하게 된다.
- 2.2 스페이서 설계
- 2.2.1 급전선 및 균압 스페이서
전기차량이 견인하게 되면 전차선로에 대전류가 흘러 전압강하가 크게 발생하게 된다. 전압강하에 따른 최소화를 위해 급전선을 3열로 배열하여 가설하기 위해 균압 스페이서를 설계하였다. 도시철도에서 사용되는 직류 전차선로 급전선은 주로 경알루미늄 연선(HAL) 또는 경동 연선(Cu)을 사용하고 있다. 본 논문에서 급전선용 균압 스페이서(510 mm 2 –3선용)는 경알루미늄 연선(HAL)에 적용하는 것으로 다음과 같은 특징을 갖는다 [5]
- 1) 경알루미늄 연선(HAL, 510mm2)
경알루미늄 연선은 경동 연선에 비하여 강도가 작고 팽창계수가 큰 단점이 있지만 가격이 저렴하고 중량이 가벼우므로 지지물에 영향을 경감할 수 있어 경제적이기 때문에 일반적으로 특수 개소를 제외하고 경알루미늄 연선을 사용하고 있다. 최근에는 알루미늄 연선의 이도 영향 등 단점을 보완하기 위해 강심 알루미늄 연선(ACSR)을 사용한다.
직류 급전선의 성능Table 2 Performance of DC feeder
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직류 급전선의 성능 Table 2 Performance of DC feeder
- 2) 균압 스페이서(510mm2– 3선용)
그림 2 는 기존 급전선용 스페이서의 구조와 치수를 나타낸다. 지상부 가공선로 급전선로(HAL, 510 mm 2 )에서 상호 전선간격을 일정하게 체결하며 재질은 가볍고 강도 특성이 우수한 KSD 6008 AC4C 알루미늄합금 재료를 사용한다.
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균압 스페이서 단면도 Fig. 2 The section diagram of the Equalizing spacer
균압 스페이서에 대한 시험 종류는 구조 치수검사, 선조장악력 시험(800 kgf 이상), 인장하중 시험(300 kgf에서 각부에 이상이 없을 것), 인장파괴 시험(1,000 kgf 이상), 염수분무시험이 있다.
- 2.2.2 균압 스페이서 해석
균압 스페이서의 본체 응력 해석을 위해 응력 해석 프로그램인 Solidworks(COSMOS)을 사용하였다. 그림 3 과 같이 각각의 전선 장악부에서 최대 인장파괴값 1,000 [kgf] 하중에 견디도록 설계하였다. 응력 해석시 하중 인가조건은 급전선 장악부위 2개소를 고정하고 나머지 장악부위 바깥쪽으로 1,000 [kgf]의 인장력을 인가하여 외력에 위한 응력 분포도를 분석하였다. 그림 3 에서 "A"개소의 하중 대비하여 발생한 재료 응력은 683 [kgf/cm 2 ]로 나타났으며, 재료의 인장강도(σ=2,100 kgf/cm 2 , KS D 6008, AC4C–T6)를 기준으로 외력에 의해 발생된 응력과 비교시 안전율은 3.07이다. 따라서 인장력 1,000 [kgf]에 대한 재료강도는 충분하다.
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본체 응력 분포 Fig. 3 Stress distribution in the body
- 1) 균압 스페이서 본체 강도
인장파괴 하중값 1,000 [kgf]를 기준으로 그림 4 와 같이 클램프 본체의 취약 부분에 대한 단면을 임의로 선정하여 인장파괴 하중치에 대한 재료 강도를 고찰하였다. 적용된재료는 알루미늄 합금(KS D 6008, AC4C–T6)이며, 이에 대한 파라미터 데이터는 표 3 과 같다.
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본체 구조 모델링 Fig. 4 The body structure modeling
알루미늄 합금Table 3 Aluminum Alloy
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알루미늄 합금 Table 3 Aluminum Alloy
안전율을 S라고 하면, 항복강도, 하중, 안전율은 식 (11)~식 (12)으로 표현된다. 식에 의해 각각을 구하면 클램프 재료의 항복강도 σ 는 419 [kgf/cm 2 ]으로 표 3에서 제시된 클램프 재료의 항복강도보다 적어 이를 만족하고 있다. 그리고 클램프 하중은 4,054 [kgf]으로 적용되는 하중 P 1 보다 높아 만족한다. 또한 안전율은 4.0이 되어 작용 하중 1,000 [kgf]에 대한 재료 강도가 충분하다.
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- 2) 조임 토크에 따른 체결볼트
스테인리스 강제볼트(STS304; KS D 3706)를 사용하여 클램프를 체결할 경우 600 [kgf.cm] 이상의 조임 토크 인가시 스테인리스 강제볼트와 너트간의 고착현상으로 인하여 조립 후 해체를 하고자 할 때 너트의 풀림이 원활하지 않다. 그러나 용융아연도금 처리된 강도 등급 10.9 강제 볼트 (체결력 6,222 kgf ; SM45C, KS D 3752, 기계구조용 탄소 강재)를 사용하여 1,000 [kgf.cm] 조임 토크의 특성을 유지시켜 조립 후 해체시 볼트 나사부의 고착 현상도 방지한다.
이상에서 살펴본 것을 토대로 균압 스페이서에 대한 구조 및 형상을 나타내면, 그림 4 와 같이 본체와 덮개로 구성된다. 급전선 균압 스페이서용으로 사용하기 위해서는 우선적으로 본체의 중량이 경감되어야 하며 가공선 설치를 하는 경우 풍압에 대한 저항성이 낮아야 한다. 따라서 강도 보강을 위해서 본체 측면을 보강하고 자중을 경감하기 위한 구조로 설계를 하였다.
- 3) 사용되는 알루미늄 합금 재료특성
클램프의 구조 및 치수, 형상 등을 고려하여 국내에서는 이들 합금중 비교적 강도가 높고 주조성과 합금의 적응성이 좋은 AC4종 및 AC2종이 가장 널리 사용되고 있다.
일반적으로 알루미늄합금 주물의 실체 강도는 형상, 두께, 주조 방법, 합금의 종류, 열처리 등에 따라서 달라지지만 실제 인장강도는 시험편의 강도에 대하여 사형 주조의 경우 약 70[%], 금형 주조인 경우 약 90[%]로 낮아진다. 대부분 주물용 알루미늄합금은 보통 Quenching – Tempering (T6열처리)에 의해 강도가 50[%] 정도 향상된다. 따라서 높은 하중에 견뎌야 하는 부품의 경우 T6 열처리를 실시한다. 주물용 알루미늄합금 규격 및 용도, 주조성과 적응성에 대한 일반적인 특성을 표 4 와 같이 나타난다.
주물용 알루미늄합금 특성 (KSD6008)Table 4 Properties and use of aluminum alloys for casting
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주물용 알루미늄합금 특성 (KSD6008) Table 4 Properties and use of aluminum alloys for casting
- 2.2.3 시험기준 및 방법
개발품에 대한 성능 평가를 위해 시험기준에 근거하여 선조 장악력 및 인장 시험을 하였다.
- 1) 선조 장악력(Slip) 시험
  • - 시험기준(KSC 3823, 6.4항) : 800 [kgf] 이상일 것.
  • - 시험 방법
  • ㉮ 사용 선조와 동일한 것을 사용한다.
  • ㉯ 조임 토크(1,000 kgf.cm) 약 60%(600 kgf.cm)로 볼 트를 조여 조립한 후, 선조 장악력 기준치의 약 30%(240 kgf)이 될 때까지 하중을 가한 후, 다시 조 임 토크(1,000 kgf.cm)로 조인다.
  • ㉰ 약 100 [kgf/초] 간격으로 규정된 하중을 10분 동안 유지시킨다.
  • ㉱ 각 선조마다 작용하는 하중 검토
그림 5 와 같이 3개 선조에 동시에 800 [kgf]가 작용할 경우 각 선조에는 267 [kgf] 하중이 균일하게 분포하게 된다.
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하중선도 Fig. 5 Load diagram
F[kgf] = 3 × P[kgf] = 800 [kgf], P = 267 [kgf]
ΣY = P1 + P2 + P3 − P4 − P5 − P6 = 0
여기서, F : 선조장악력(800 kgf), ΣY : 각 전선 장악부에서 선조장악력의 합력[kgf], P : 각 전선 장악부에서의 장악력[kgf]
시료를 조립 및 장착하여 800 [kgf] 하중을 10분간 유지 시켰으며, 규정 하중 800 [kgf]에서 10분 동안 유지한 후 파괴값까지 하중을 인가한 결과, 1,090 [kgf]에서부터 Slip이 발생하는 것을 확인하였다.
- 2) 인장 시험
인장 시험은 급전선의 직경 φ29.4 [mm]에 맞는 시험 지그를 균압 스페이서에 장착하여 하중을 300 [kgf] 이상에서 10분 동안 유지를 하면서 각 부에서 이상이 없어야 한다. 또한 인장파괴 시험은 1,000 [kgf] 이하에서는 파괴가 되지 않아야 한다.
전선 장악부에 작용하는 인장 하중은 아래와 같으며, 시험결과 그림 6 과 같이 규정 하중 1,000 [kgf]에서 이상이 없었으나, 하중을 점진적으로 인가하여 2,415 [kgf]에서 덮개가 파손됨을 확인하였다.
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하중 분포 Fig. 6 The Distributed load
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- 2.3 급전선 증설에 따른 실험적 고찰
- 2.3.1 선로상에서의 허용전류
경알루미늄 연선(HAl) 510[mm 2 ] 2회선을 사용하고 있는 급전선의 허용전류는 952 [A]로 지상구간에서 급전선을 2회선 시공하므로 2조의 병행 감쇄율을 0.9로 계산하면 2조의 허용전류는 1,714 [A]가 된다. 계산식에 의해 구해진 급전선, 조가선, 전차선의 총 허용전류는 다음과 같다.
  • ○ 급전선 HAl 510[mm2] 2회선 : 1,714 [A]
  • ○ 조가선 St 135[mm2] : 150 [A]
  • ○ 전차선 Cu 170[mm2] : 590 [A](마모 후 356 [A])
따라서 지상부 전차선로의 허용전류는 2,454[A]가 된다. 그러나 전차선이 마모한계에 도달 했을 때를 고려하면 전차선 마모 후 356[A]을 적용하여 2,220[A]가 된다. 차량의 운행조건 및 부하공급조건을 고려하여 급전용량에 대한 전차선로의 허용전류에 적정여부를 판단하기 위하여 그림 7 과 같이 강변~성수구간에 대한 시뮬레이션을 하였다.
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급전 계통도 Fig. 7 The diagram of power supply system
구간 별 부하전류Table 5 Load current with respect to section
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구간 별 부하전류 Table 5 Load current with respect to section
시뮬레이션 결과 내선측 선로와 외선측 선로의 부하전류 불균형이 심각한 것을 알 수 있다. 특히, 내선의 경우 강변 변전소 F4에서 급전되는 부하전류가 3,398 [A]로 전차선 허용전류인 2,220 [A]를 크게 초과함을 알 수 있었다.
따라서 현재 경알루미늄 연선(HAl) 510mm 2 2회선으로 시공하여 운용 중인 급전선을 내선측에 급전선 1회선 추가(5.03[km]) 시공하였다. 급전선(AL 510mm 2 ) 1가닥의 허용전류가 857 [A](병행감쇄계수 적용)이므로 3회선 방식으로 시공하였을 때의 허용전류는 3,311 [A]가 되며 성수~강변(내선) 시뮬레이션 결과에 비해 87 [A]가 부족하다.
한편 성수~강변 구간의 전차선로 시뮬레이션 결과를 보면 내, 외선측 부하의 불균형이 큼을 알 수 있다. 따라서 내선과 외선간을 타이포스트를 설치함으로써 부하를 분배하게 되면 충분한 전차선 용량을 확보할 수 있다. 그러나 성수~강변구간에 타이포스트만 설치(건대입구)를 하는 경우 급전선 허용전류(내, 외선) 4,908 [A]가 되어 부하 분담전류가 5,166 [A]임을 고려했을 때 258 [A]가 부족하다. 이를 해결하기 위해 급전선 1회선 증설과 타이포스트 병행 설치함으로써 급전선 허용전류 5,765 [A], 타이포스트 부하 분담전류 5166 [A]가 되어 여유율 10%인 여유량 599 [A]가 된다.
- 2.3.2 운행부하 측정
성수~강변 구간 전차선로의 중앙에 전압강하 최소화 및 허용전류 보상을 위하여 그림 8 과 같이 타이포스트(T/P)를 설치하고 운용(투입)전, 후에 성수~강변 구간 전차선로의 전압강하 및 부하전류 변화를 살펴보았다.
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전력공급 계통(성수~강변) Fig. 8 Power supply system(Seongsu~Gangbyun)
그림 9 와 같이 최저 전압은 T/P 개방시 내선은 1,366 [V]으로 나타났으며, 외선은 1,386 [V]로 측정되었다. 반면 T/P 투입 후는 1,416 [V]로 T/P 개방시에 비해 높게 측정되었다.
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현장 시험에 따른 전압변화 Fig. 9 Voltage variation on field test
전압강하는 주로 출퇴근 시간(07:00~09:00, 18:30~20:30)에 집중적으로 발생되었으며, T/P 개방시 내외선 최대 481 [V] 차이를 보였으나 T/P 투입 후 375 [V] 차이로 전압 불균형이 줄어들었다. 그리고 T/P 투입 후 전류가 3회선을 통해 흐르므로 소폭의 전압강하(1366 [V] ⇒ 1416 [V])가 보상된 것으로 나타나 전체적으로 전압 변동율이 줄어 급전계통의 안정성이 향상된 것으로 측정되었다.
3. 결 론
본 논문에서는 직류 급전선 증설에 따른 전압강하 최소화를 위한 균압 스페이서 개발에 대한 연구를 하였다.
이를 위해 병렬 급전방식을 통해 전차선로에 대전류가 흐르는 경우 임의의 지점에서 전압강하에 대한 고찰을 하였으며, 직류 급전선로는 교류 급전에 비해 대전류가 흐르므로 전압강하가 수시로 매우 크게 발생될 수 있음을 확인하였다. 따라서 짧은 시격운전 등으로 인한 전기차량 운행 증가로 전압강하를 최소화하기 위해 직류 급전선 증설에 따른 균압 스페이서가 필요로 한다. 균압 스페이서 설계 및 분석을 통해 작용하중에 대한 강도 및 안전율이 타당함을 확인하였다.
또한 급전선 증설을 위한 균압 스페이서를 전력공급 급전점이 원거리인 지하철 2호선 동측구간(성수~강변)의 지상부 전차선로에 설치하여 전압강하를 고찰한 결과 급전계통이 향상되었다.
BIO
이 재 봉 (李 在 鳳)
2007년 서울과기대 전기신호공학과 졸업 (석사). 1984년~현재 서울메트로 근무, 한국철도기술연구원 기술자문위원
Tel : 02-6110-5470
서 일 권 (徐 一 權)
2010년 서울과기대 전기신호공학과 졸업 (석사). 1981년~현재 한국철도공사 인재 개발원 근무
나 연 일 (羅 然 一)
1984년 건국대 전기공학과 졸업(학사). 2006년 서울과기대 철도 전기신호공학과 졸업(석사). 2004년~현재 배산 엔지니어링 근무
김 재 문 (金 才 文)
1994년 성균관대 전기공학과 졸업. 2000 년 2월 동 대학원 졸업(공박). 2000년~2004년 현대모비스(주) 기술연구소 선임 연구원. 2006년 ~현재 국토교통부 철도 기술 전문위원, 2004년 3월~현재 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과/ 철도전기전자공학과 부교수.
Tel : 070-8855-1664
E-mail : goldmoon@ut.ac.kr
References
Lee Jae-Bong , Shin Jae-chang , park Weon-chan 2009 “The review of the development of Equalizing spacer in DC feed wire” 2009 Autumn Conference of the Korean Society for Railway 3372 - 3381
Lee Chang-Yul 2010 “Introduction and commercialization of the spacer overhead wires of overhead distribution lines” Journal of the electrical world (408) 36 - 40
Kim Yang-Soo , et al. 2004 Electric Railway Engineering Dongilbook et al. 221 -
2005 “Protection of railway power system equipment and It’s circuit calculation” 68 -
1992 “The standard specification of catenary material” 9 - 11